Vědci vytvářejí realistické mapy připojení v celém mozku prostřednictvím digitálního modelování

Vědci EPFL vyvinuli a výkonná metoda Pro generování celého mozku, biologicky realistické mapy kabeláž mozku myši. Jejich přístup překlenuje experimentální data s matematickým a výpočetním modelováním, aby simuloval, jak se neurony spojují v celém mozku.

Studie je zveřejněna v časopise Přírodní komunikace.

Jednou z největších výzev Neuroscience je pochopení toho, jak je mozek zapojen. I s moderními zobrazovacími nástroji bylo výzvou vytvořit podrobné mapy, které ukazují, jak mozkové miliardy buněk (neurony) Připojte se nejen s místními „sousedy“, ale také s jinými vzdálenějšími buňkami v mozku.

Tyto mapy, známé jako konektory, jsou klíčem k odemknutí tajemství funkce mozku a nemoci. Tradiční techniky mapování mozku však nabízejí pouze částečný pohled.

Přestože experimentální datové sady rostou, jsou stále příliš řídké na to, aby rekonstruovaly všechna spojení, na kterých záleží, zejména ty, které překlenují vzdálené mozkové oblasti. Výsledkem je, že je stále obtížné pochopit složité kognitivní funkce nebo určit příčinu neurologických onemocnění.

Model pro výzkum a lékařské aplikace

Vědci ve skupině profesora Henryho Markrama z projektu EPFL’s Blue Brain Project si nyní vyvinuli způsob, jak generovat digitální („syntetické“, jak jsou známy v oboru), ale biologicky realistické mapy připojení na celém mozku.

Vedni Lidou Kanari vytvořili podrobné digitální modely toho, jak neurony rozšiřují jejich kabeláž v mozku, přičemž o krok blíže vytvářejí komplexní konektomy, které lze použít jak pro výzkumné, tak pro lékařské aplikace.

Práce s velkými datovými sadami biologických „axonálních rekonstrukcí“, včetně nových údajů shromážděných s spolupracujícím týmem profesora Hanchuan Peng (Southeast University, China), používali ke seskupování neuronů strojovým učením podle svých vzorců zapojení.

Remy Petkantchin, první autor studie, vyvinul výkonnou výpočetní metodu, která generuje syntetické axony odpovídající těmto vzorům zapojení. Metoda byla založena na a Matematický model Vyvinuli se v roce 2022 Pro generování digitálních kopií neuronů, které napodobují, jak se skutečné rozvětvují a připojují se k různým oblastem mozku.

Syntetické axony byly navrženy tak, aby sledovaly stejné cesty jako jejich biologické protějšky, takže výsledné konektory také odrážejí, jak jsou neurony spojeny ve skutečném mozku.

Realistické zapojení

Syntetické axony odpovídají klíčovým vlastnostem biologických prvků, jako je to, jak vypadají a kde se spojují. Když se používají k budování sítí v celém mozku, výsledné Connectome velmi se podobá těm, které jsou postaveny z experimentální datavčetně kritických spojení s dlouhým dosahem, která propojují vzdálené oblasti mozku.

Tím, že generoval tisíce syntetických axonů, vytvořil tým digitální mozkový model myši s realistickým zapojením. To znamená, že je nyní možné zaplnit mezery ve stávajících datových sadách Connectome, prozkoumat, jak se neurony spojují napříč mozkem a dokonce testují myšlenky na organizaci mozku, které by nebylo možné studovat na živých zvířatech.

Tento výzkum otevírá nové možnosti neurovědy. Digitální konektomy mohou podporovat rozsáhlé simulace mozku, průvodce experimenty a nabídnout nové poznatky o neurologických onemocněních.

Ačkoli se studie zaměřila na mozek myši, stejné principy by mohly být aplikovány na jiné druhy, včetně lidí, jakmile bude k dispozici více údajů.